СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ТЕРМОПАР И ТЕРМОПАРА Российский патент 1994 года по МПК C22C19/03 C22C19/05 G01K7/02 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля для термопар и термопарам, и может найти применение в металлургической промышленности, приборостроении, авиационной технике и др., в качестве средства контроля процессов, протекающих при повышенных температурах.

Известны сплавы на основе никеля, используемые для положительного и отрицательного электродов термопары (авт. св. N 172087, 1964). Для положительного электрода сплав содержит (мас.%) 8-11 хрома и 2-4 кремния, остальное никель. Сплав, содержащий (мас.%) 2,5-7 кремния, 1,5-5 алюминия, остальное никель, предназначен для отрицательного электрода термопары. Кроме того, эти сплавы могут содержать ниобий вместо или одновременно с кремнием, кобальт и/или марганец (мас.%) 1, цирконий до 0,2, углерод и магний до 0,15, кальций и лантан до 0,1, церий и бор до 0,01. Легирующие элементы хром, кремний, углерод, и магний также входят в состав предложенных сплавов. Однако стабильность термопар, выполненных из этих сплавов, при рабочей температуре 1200^оС не высока, поэтому ресурс стабильной работы составляет 300-500 ч.

Известны также сплавы на основе никеля (авт. св. N 505908, 1975), используемые для термопар. Сплав для положительного электрода содержит легирующие добавки хром и кремний, а для отрицательного электрода - кремний, причем отношение концентрации хрома в сплаве для положительного электрода к концентрации кремния в сплаве для отрицательного электрода находится в пределах 3,5-6,5, а отношение концентрации кремния в сплавах для положительного и отрицательного электродов - 0,2-0,5. Однако эти сплавы не обладают достаточной способностью противостоять окислению при температурах эксплуатации. Метрологические характеристики термопар из этих сплавов теряют стабильность в течение всего нескольких сот часов, что ограничивает их использование.

Сплав на основе никеля, содержащий (мас.%) 7-10,5, хрома, 0,15-0,65 кремния, известен как положительный электрод термопары, в которой отрицательным служит также никелевый сплав, легированный марганцем (мас.%) 1,0-2,3 и кремнием 2,0-4,5, или марганцем 1,5-3,0, кремнием 2,0-4,0 и алюминием 0,5-2,0 (авт. св. N 1262298, 1984). Однако срок службы термопар из этих сплавов при 1200^оС не превышает 180 часов.

Известен сплав на основе никеля, содержащий хром (мас.%) 13,5-14,5, кремний 1,0-1,5, а также по меньшей мере один из элементов: молибден, вольфрам, ниобий, тантал, максимальные концентрации которых составляют 5,0; 1,0; 3,0; 2,0 мас. % соответственно. Кроме того сплав может содержать до (мас. % ) 0,5 магния и/или до 0,2 церия (пат. США N 4749546, кл. С 22 С 19/05, 1988; пат. Австралии АИ-В-62404/86, кл. C 22 C 19/05, 1989). Сплав может быть использован в качестве положительного электрода термопар, однако его жаростойкость недостаточно высока, чтобы обеспечить высокую стабильность метрологических характеристик.

Прототипом изобретения являются сплавы и термопара, описанные в стандарте международной электротехнической комиссии (IEC, Projekt No:00010 0001, Publ. 584, 65В, Sept. 1985, Montreal). Это известные сплавы, из которых для положительного электрода сплав содержит легирующие добавки, мас.%: хром 14,2 ± 0,5, кремний 1,4 ± 0,2, углерод до 0,05 и железо до 0,15, а для отрицательного - хром до 0,02, кремний 4,4 ± 0,2, магний 0,05-0,2, железо до 0,15, Сплавы обеспечивают в рабочем интервале температур от 100 до 1300^оС соответствие значений ТЭВС градуировке МЭК, но срок службы термопар из этих сплавов лимитирован недостаточным уровнем жаростойкости.

Изобретение решает задачу по созданию сплавов для термопар на основе никеля и термопары, которая обеспечивает в рабочем интервале температур от 100 до 1300^оС соответствие значений ТЭДС градуировке МЭК при высоком уровне жаростойкости, позволяющем эксплуатировать термопару более 500 ч. Эта задача решается тем, что в сплав на основе никеля для термопар, включающий хром, кремний и углерод, дополнительно вводят магний, тантал и молибден. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: хром 13,5-15,5 кремний 0,9-1,9 магний 0,05-0,2 тантал 0,2-0,3 молибден 0,2-0,3 углерод 0,05-0,2 никель остальное (до 100).

По второму изобретению в сплав на основе никеля для термопар, включающий кремний, магний и углерод, дополнительно вводят тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремний 3,9-4,9 магний 0,05-0,2 углерод 0,05-0,2 тантал 0,2-0,3 никель остальное (до 100)
По третьему изобретению термопара содержит отрицательный электрод, выполненный из сплава на основе никеля, включающий магний и углерод, и положительный электрод, выполненный из сплава на основе никеля, включающий хром, кремний и углерод. Сплав для отрицательного электрода дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремний 3,9-4,9 магний 0,05-0,2 углерод 0,05-0,2 тантал 0,2-0,3 никель остальное (до 100).

Сплав для положительного электрода дополнительно содержит магний, молибден и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 13,5-15,5 кремний 0,9-1,9 магний 0,05-0,2 углерод 0,05-0,2 тантал 0,2-0,3 молибден 0,2-0,3 никель остальное (до 100).

Повышенная жаростойкость сплавов обусловлена совокупным влиянием дополнительных легирующих добавок на морфологию и фазовый состав оксидных поверхностных слоев.

Сплавы изготавливали металлургическим путем: вначале вакуумно-индукционная плавка, затем электрошлаковый переплав. Слитки прокатывали в горячую при 1100-1200^оС. В дальнейшем в зависимости от вида термопары следовало либо волочение на проволоку, или холодная прокатка на ленту (фольгу).

В таблице приведены результаты испытаний сплавов различного состава. Жаростойкость оценивали на основании двух параметров: по времени сквозного окисления при 1350^оС (методом сопротивления - резкий скачок сопротивления в цепи свидетельствовал о сквозном окислении образца) и по окислению при 1200^оС в течение 100 ч методом гравиметрии. Стабильность определяли по дрейфу ТЭДС при 1000^оС после испытаний в газовом потоке при 1200^оС и соответствию значений ТЭДС от 100 до 1300^оС градуировке МЭК.

Предложенные сплавы обеспечивают возможность повысить ресурс работы термопары из них в 1,5-2 раза.

Использование: металлургическая промышленность, приборостроение, авиационная техника, в качестве средств контроля процессов, протекающих при высоких температурах. Сплав для положительного электрода термопары содержит следующие компоненты, мас. %: 13,5 - 15,5 хрома, 0,9 - 1,9 кремния, 0,05 - 0,2 магния, 0,05 - 0,02 углерода, 0,2 - 0,3 тантала, 0,2 - 0,3 молибдена, остальное никель до 100%, а сплав для отрицательного электрода содержит следующие компоненты, мас.%: 3,9 - 4,9 кремния, 0,05 - 0,2 магния, 0,05 - 0,2 углерода, 0,2 - 0,3 тантала, остальное никель до 100. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Сплав на основе никеля для термопар, включающий хром, кремний, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, тантал и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 13,5 - 15,5
Кремний 0,9 - 1,9
Магний 0,05 - 0,2
Углерод 0,05 - 0,2
Тантал 0,2 - 0,3
Молибден 0,2 - 0,3
Никель Остальное. 2. Сплав на основе никеля для термопар, включающий кремний, магний и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний 3,9 - 4,9
Магний 0,05 - 0,2
Углерод 0,05 - 0,2
Тантал 0,2 - 0,3
Никель Остальное. 3. Термопара, содержащая отрицательный электрод, выполненный из сплава на основе никеля, включающего кремний, магний и углерод, и положительный электрод, выполненный из сплава на основе никеля, включающего хром, кремний и углерод, отличающаяся тем, что отрицательный электрод выполнен из сплава, дополнительно содержащего тантал, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний 3,9 - 4,9
Магний 0,05 - 0,2
Углерод 0,05 - 0,2
Тантал 0,05 - 0,2
Никель Остальное,
а положительный электрод выполнен из сплава, дополнительно содержащего магний, молибден и тантал, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 13,5 - 15,5
Кремний 0,9 - 1,9
Магний 0,05 - 0,2
Углерод 0,05 - 0,2
Тантал 0,2 - 0,3
Молибден 0,2 - 0,3
Никель Остальное